Лопасти ветряных турбин, вращающиеся в холодных влажных условиях, могут собирать лед толщиной почти в фут на концах своих лопастей шириной в ярд.
Это нарушает аэродинамику лопастей. Это нарушает баланс всей турбины. И это может нарушить производство энергии до 80 процентов, согласно недавно опубликованному полевому исследованию, проведенному Хуи Ху, профессором аэрокосмической техники Университета штата Айова Мартина К. Джишке и директором университетского факультета физики обледенения самолетов и защиты от обледенения. Технологическая лаборатория.
Ху проводил лабораторные исследования обледенения лопаток турбин около 10 лет, в том числе проводил эксперименты в уникальном исследовательском туннеле ISU по обледенению. Большая часть этой работы была поддержана грантами Энергетического центра Айовы и Национального научного фонда.
«Но у нас всегда есть вопросы о том, отражает ли то, что мы делаем в лаборатории, то, что происходит в полевых условиях», - сказал Ху. «Что происходит с поверхностями лопастей больших ветряных турбин промышленного масштаба?»
Все мы знаем одну вещь, которая недавно произошла в этой области. Энергия ветра и другие источники энергии замерзли и вышли из строя в Техасе во время зимнего шторма в прошлом месяце.
Поиск полевого сайта
Ху хотел количественно оценить, что происходит на ветряных электростанциях в зимнюю погоду, и поэтому несколько лет назад начал организовывать полевые исследования. Но это оказалось сложнее, чем он ожидал. Даже в Айове, где около 5100 ветряных турбин производят более 40% электроэнергии штата (по данным Ассоциации энергетической информации США), ему не дали доступа к турбинам. Энергетические компании обычно не хотят, чтобы данные о характеристиках их турбин публиковались.
Поэтому Ху, который установил связи с исследователями из Школы возобновляемых источников энергии при Северо-Китайском энергетическом университете в Пекине в рамках программы международного исследовательского опыта для студентов, финансируемой Национальным научным фондом, спросил, будут ли китайские ветряные электростанции сотрудничать
Операторы ветряной электростанции с 34 турбинами и мощностью 50 мегаватт на вершине горного хребта в восточном Китае согласились на полевое исследование в январе 2019 года. Ху сказал, что большинство турбин вырабатывают 1,5 мегаватта электроэнергии и очень похожи на турбины коммунального масштаба, которые работают в США.
Ху сказал, что ветряная электростанция, изучаемая исследователями, находится недалеко от Восточно-Китайского моря, поэтому ветряные турбины больше подвержены обледенению, чем в Техасе, чем в Айове. Ветряные электростанции Айовы работают в более холодных и сухих зимних условиях; когда зимние холода падают в Техас, ветряные электростанции подвергаются большему воздействию влаги из-за близлежащего Мексиканского залива.
Измерение льда
В рамках своей полевой работы исследователи использовали дроны, чтобы сфотографировать лопасти турбины длиной 50 метров после воздействия до 30 часов ледяных зимних условий, включая ледяной дождь, ледяную морось, мокрый снег и ледяной туман.
Фотографии позволили детально измерить и проанализировать, как и где лед собирался на лопатках турбины. Ху сказал, что фотографии также позволили исследователям сравнить естественное обледенение с лабораторным обледенением и в значительной степени подтвердили их экспериментальные результаты, теории и прогнозы.
На фотографиях было показано: «В то время как лед нарастал по всей длине лопастей, на внешних лопастях было обнаружено больше льда, при этом толщина льда достигала 0,3 метра (почти 1 фут) возле концов лопастей», - написали исследователи в недавно опубликованной статье онлайн журнала Renewable Energy. (См. Врезку для полной группы исследователей.)
Исследователи использовали встроенные системы управления и сбора данных турбин, чтобы сравнить рабочее состояние и выработку электроэнергии при обледенении лопастей с более типичными условиями без льда.
«Это говорит нам, в чем дело, каково влияние на производство электроэнергии», - сказал Ху.
Исследователи обнаружили, что обледенение оказывает серьезный эффект:
«Несмотря на сильный ветер, было обнаружено, что обледеневшие ветряные турбины вращаются намного медленнее и даже часто отключаются во время обледенения, при этом потери мощности из-за обледенения достигают 80%», - пишут исследователи.
Это означает, что Ху продолжит работу в другой области исследований ветряных турбин - поиск эффективных способов удаления льда с лопастей, чтобы они продолжали вращаться, а электричество продолжало работать всю зиму.